Aplikace metody topologické optimalizace při návrhu jistícího prvku

Martin Šotola

Doctoral thesis

Application of topological optimization method in design of climbing belay element

Abstract:

Disertační práce se zabývá návrhem metodiky využívající topologickou optimalizaci aplikovatelnou při návrhu jistícího prvku určeného pro horolezectví. V rámci práce je metodika ověřena na optimalizaci segmentu aktivního mechanického vklíněnce, který chrání horolezce v případě pádu. Metodika se skládá ze tří pilířů. První pilíř popisuje důležitost efektivního modelování při využití topologické optimalizace a zdůrazňuje hledání vhodného nastavení či formulace optimalizace pro získání kvalitních výsledků. Je zde vyzdvižen význam důkladné analýzy úlohy a přípravy konceptu úplné optimalizace. Koncept v základu nelze využít kvůli zvýšené komplexnosti hledání řešení. To lze však vyřešit pomocí vhodných redukcí, které vedou k akceleraci pro získání nových nastavení topologické optimalizace. Druhý pilíř metodiky se zaměřuje na vyhodnocení výsledků. Výsledky typicky je nutné dále zpravovat, proto práce popisuje možné způsoby vyhlazení výsledků. Pro zhodnocení vyhlazení jsou v práci stanoveny metriky. Třetí pilíř metodiky popisuje nutnost validace nového designu. Validace je provedena pomocí numerických metod, ale také pomocí experimentu. Získání nového tvaru segmentu řeší problém technické praxe, a to nalezení nového lehčího tvaru, který splní certifikaci v rámci únosnosti. Navržená metodika je aplikovatelná pro libovolný díl, jelikož je dostatečně zobecněná.

Abstract:

The dissertation thesis deals with preparing a methodology for topology optimization applied to the design of the climbing belay element. The methodology is applied to cams of spring-loaded camming devices. The camming devices protect mountaineers in case of fall. The methodology consists of three pillars. The first pillar describes the importance of effective modelling for performing topology optimization. The thesis emphasises finding suitable optimization formulation for obtaining quality results. The thesis highlights the significance of complex problem analysis and preparation of the concept of overall optimization. Concept in general cannot be used for optimization due to complexity. However, optimization can be appropriately reduced. The reductions lead to solving time acceleration opening the possibility of finding a suitable formulation. The second pillar deals with the post-processing of topology optimization results. Results are usually not acceptable for direct use and require additional work. The thesis describes possible ways of smoothing geometries. The thesis proposes also metrics to help users with an evaluation of smoothing. The third pillar deals with the validation of new designs. Validation can be done using numerical modelling or experiments. Obtaining a new shape of cams is solving industrial needs, namely, it is a new lightweight shape that withholds the load-bearing capacity defined by the standard. The final proposed methodology is prepared in general, therefore, it is applicable on various industrial problems.

Keywords

Topologická optimalizace, Vklíněnec, Segment, Vyhlazovací metody, Minimalizace poddajnosti, Efektivní modelování, Validace návrhu

Keywords

Topology Optimization, Camming Device, Cam, Smoothing Methods, Compliance Minimization, Effective Modelling, Design Validation

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 17. 4. 2024

Thesis defence

• Supervisor: Pavel Maršálek
• Reader: Tomáš Návrat, Petr Beremlijski, Milan Vaško

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta strojní

Doctoral programme / field:
Strojní inženýrství / Aplikovaná mechanika